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使用微控制器與 Σ-Δ 調變器建立一個完整的工業 ADC 介面
( 10 月 1 日 2007 年)
Patrick Weber 及 Craig Windish, Siemens Energy and Automation, Pittsburgh, PA

設計人員一般將 0 至 20 mA、0 至 10V 的隔離輸入用於工業應用的控制信號。將隔離電源Analog Devices (www.analog.com) 內建隔離的 AD7400 Σ-Δ 調變器與德州儀器公司 （www.ti.com） 的 MSP430 相結合，就構成一個工業設計者所需要、完全隔離的穩健類比信號介面。精密信號調節（signal-conditioning）電路產生 AD7400 所需的小差分電壓（圖 1）。該電路產生出所需的 200 mV 差分電壓。為清楚起見，圖中省略了過壓二極體和保護電路。
一個 0 至 20 mA 電流迴路透過一個適當調整過的（scaled）電阻 R2 轉換為一個電壓，並進入一精密的運算放大器。經由維持放大器正輸入端的恒定電壓，這個連接到負輸入端的信號電平得到一個正偏置（positive offset）。0 至 10V 信號（如來自電位計的信號）也調整到與 0 至 20 mA 信號相類似的電壓上，並在 Analog Devices OP1177 放大器 IC1 的負端加總。
將信號移位到 0V 以上可以得到一個信號，它與單端正類比信號相似。Analog Devices 的差分 ADC 驅動放大器 AD8138 用來驅動 AD7400。調整增益使最終信號在 ±200 mV處於 ADC 所需要的範圍內。最後，在連接到 AD7400 以前，信號會流經一個在正、負端之間由 R10、R11 和 C4 所構成的低通濾波器。AD7400 將此差分信號進行轉換，並用一個低成本的微控制器進行處理。AD7400 這種 Σ-Δ 調變器 ADC 一般會與FPGA 或 DSP 介接。不過，這種方案的成本和複雜性都高。對於不需要高級濾波功能且成本敏感的應用來說，可以用一顆簡單的微控制器。
AD7400 有兩個輸出：MCLKOUT 和 MDAT（圖 2）。MCLKOUT 是一個 10 MHz 時鐘，用於對調變的資料串流進行 MDAT同步。AD7400 將 MDAT 解釋為 1 在時間上的百分比。由於 MDAT 只在 MCLKOUT 的上升緣（rising edge）變化，因此電路必須將 MDAT 和 MCLKOUT 一起進行與（AND）的操作，以建立一個微控制器可以計算的脈衝串流。微控制器首先將 MCLKOUT 反向（invert），以防止計入 MDAT 變遷緣（transition edge）上偶然出現的突波（glitche）。圖中顯示了 MDAT、反向 MCLKOUT 以及得到的資料串流。
脈衝資料信號與反向 MCLKOUT 各自饋入微控制器上的一個獨立計時器/計數器（圖 3）。TI MSP430F2274 提供兩個 16 位元的計數器，可以支援高達 16 MHz 的運行。當時鐘計數器發出一個溢位中斷（overflow interrupt）信號時，電路對資料計數器進行採樣，以測量 ADC 值。對於本應用，可以在一個迴圈緩衝（circular buffer）中進行數據測量的平均，以方便地過濾資料。



圖片說明

圖 1 這個類比調節電路對輸入信號完成過濾和電平移位的操作，從而產生出 AD7400 ADC 的差分輸入。

圖 2 這些示波器繪圖顯示 MDAT、反向 MCLKOUT 以及得到的資料串流（感謝 LeCroy提供本圖）。

圖 3 AD7400 串列 ADC對類比輸入進行數位化，再送給簡單的低成本微控制器。

Click here for Illustrations:

Figure 1

Figure 2

Figure 3
 
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